DNA, RNA en eiwitten: “rules and regulations”

DNA, RNA en eiwitten:
“rules and regulations”
met een uitgebreide toelichting
VWO, scheikunde
Marnix College Ede
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
SAMENVATTING AFSPRAKEN DNA, RNA, AMINOZUREN EN EIWITTEN
DNA EN RNA:
Enkelstrengs DNA en RNA:
bij afspraak schrijven we het 5’ uiteinde links en het 3’ uiteinde rechts.
Voor de notatie van dubbelstrengs DNA geldt de volgende afspraak: de bovenste
streng loopt van 5’ (links) naar 3’ (rechts) en de onderste streng loopt van 3’ (links)
naar 5’ (rechts).
BIJ TRANSCRIPTIE:
-
de DNA-streng waaraan de te vormen mRNA-streng paart wordt de template
strand genoemd (strand = streng)
de ándere DNA-streng wordt de coding strand genoemd
het gevormde mRNA heeft ten opzichte van de template strand een
complementaire basenvolgorde
het gevormde mRNA heeft dezelfde basenvolgorde als de coding strand,
behalve wat betreft de T’s (dat zijn in het mRNA namelijk U’s geworden)
In het algemeen noteert men de coding strand als bovenste DNA-streng (dus 5’→3’)
en de template strand als onderste DNA-streng (dus 5’→3’). De mRNA-streng wordt
daardoor ook genoteerd met 5’ links en 3’ rechts.
AMINOZUREN EN EIWITTEN:
Men nummert de C-atomen naast de carboxylgroep met α, β, γ, etc. Volgens
afspraak zet men de COOH in een aminozuur rechts en de NH2 in een aminozuur
links.
Merk op:
- als de NH2-groep de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een amine.
Voorbeeld: ethaanamine;
- als de NH2-groep niet de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een
aminogroep. Voorbeelden: 1-amino-2-propanol en 2-aminopropaanzuur
- een amidebinding is het resultaat van condensatie tussen –COOH en –NH2
Een (poly)peptide heeft een zijde met een vrije NH2-groep en een zijde met een vrije
COOH-groep. Volgens afspraak noteert men peptiden met de vrije NH2-groep links
en met de vrije COOH-groep rechts.
2
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
HOOFDTUK 1: DNA EN RNA
DNA en RNA zijn ketenvormige moleculen. De moleculen bestaan uit een
ruggegraat (backbone) van afwisselend fosfaatgroepen en suikergroepen. Aan de
suikergroepen zitten basemoleculen vast.
Ruggegraat
De ruggegraat van RNA-moleculen bevat als suiker ribose. De ruggegraat van DNAmoleculen bevat als suiker deoxyribose (ook wel desoxyrobose genoemd). Het
verschil tussen deze suikers blijkt uit onderstaande figuur: het betreft de atomen aan
het tweede C-atoom (C2) in de ribosering (de nummering geldt volgens conventie).
CH2OH
OH
CH2OH
OH
O
O
C4
H
H
H
C3
C2
OH
OH
C1
H
C4
H
H
H
C3
C2
OH
H
ribose
C1
H
deoxyribose
(OH aan C2 is H)
figuur 1: ribose en deoxyribose
In zowel DNA als RNA zijn de
suikermoleculen met elkaar verbonden
door fosfaatgroepen. Fosfaat is het
zuurrestion van het driewaardige zuur
fosforzuur (H3PO4). De binding tussen de
suikermoleculen en de fosfaatgroepen is
chemisch
gezien
een
fosfaatesterbinding. Hierbij fungeren de suikers
als
alcoholen
(OH-groepen)
en
fosforzuur/fosfaat als het zuur.
Omdat fosforzuur driewaardig is, blijft er in
het fosfaatgedeelte één vrije OH-groep
over. Bij de gebruikelijke pH’s in
organismen
is
deze
groep
gedeprotoneerd en is er dus aan het
fosforatoom een O– (negatief geladen Oatoom) aanwezig.
Het geheel van een suikermolecuul en
een base noemt met een nucleoside. Het
geheel van een suikermolecuul, base en
fosfaatgroep noemt met een nucleotide
In de figuur hiernaast is een keten van
drie
nucleotiden
getekend,
met
deoxyribose als suiker.
BASE
HO
O
H
H
H
H
H
O
O
P
OBASE
O
CH2 O
H
H
H
H
H
O
O
P
OBASE
O
CH2
H
H
O
H
H
OH
figuur 2: een trinucleotide
3
H
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
Basen
In DNA bevinden zich vier mogelijke basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G)
en tyrosine (T).
NH2
O
A en G zijn de purines,
omdat ze sterk lijken op de
N
N
N
N
stof purine. C en T zijn de
N
NH
pyrimidines, omdat ze sterk
N
lijken op de stof pyridine.
N
N
N
H
In RNA bevinden zich
dezelfde basen met één
uitzondering: thymine komt
in RNA niet voor. De vierde
base in RNA is het pyrimidine
uracil (U).
N
adenine
H
purine
NH2
De letters A, C, G, T en U
worden zowel voor alleen
de basen alsook voor de
totale nucleotiden gebruikt.
N
H
cytosine
pyridine
NH
NH
O
N
H
NH2
O
O
N
N
N
guanine
H
O
thymine
N
H
uracil
figuur 3: de stikstofbasen in DNA en RNA
Totale structuur van DNA of RNA
De totale structuur van een trinucleotide staat hieronder weergegeven. Het betreft
het trinucleotide ACG.
NH2
N
vrije OH aan C5
5' uiteinde
N
N
HO
N
A
O
H
H
H
H
H
NH2
O
N
O
P
O-
C
N
O
CH2
H
O
O
H
H
O
H
O
H
N
O
P
NH
ON
O
CH2
H
H
N
O
H
H
H
OH
vrije OH aan C3
3' uiteinde
figuur 4: het trinucleotide ACG
4
NH2
G
O
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
Merk op, dat een keten van nucleotiden een richting heeft. In dit geval is aan de
kant van het nucleotide A een vrije OH-groep aan C5 van het deoxyribose
aanwezig. Aan de kant van de G is een vrije OH-groep aan C3 van het deoxyribose.
Deze kanten worden aangeduid met respectievelijk 5’ en 3’. Het komt overigens ook
voor, dat aan de 5’ of 3’ nog een of meer fosfaatgroepen aanwezig zijn.
Bij afspraak schrijven we het 5’ uiteinde links en het 3’ uiteinde rechts. De notatie van
het bovenstaande trinucleotide is dus ACG (of vollediger: 5’ ACG3’).
ACG is dus niet hetzelfde als GCA!
DNA is een dubbelstrengs molecuul
In 1953 ontdekten James Watson en Francis Crick wát de ruimtelijke structuur van
DNA moest zijn (noot: met de onmisbare hulp van Maurice Wilkins en Rosalind
Franklin). Hun model is als volgt:
1. DNA komt voor als dubbelstrengs molecuul;
2. de strengen winden zich als dubbel helix door elkaar;
3. de ruggegraat van fosfaten en deoxyriboses bevindt zich aan de buitenkant
en de basen bevinden zich aan de binnenkant van de dubbele helix;
4. door waterstofbruggen worden specifieke paren gevormd tussen de basen. A
paart altijd met T en C paart altijd met G (dit resulteert in zogenaamde
“complementaire ketens”);
5. het 5’ uiteinde van de ene streng ligt tegenover het 3’ uiteinde van de
andere streng (“antiparallel”)
Deze baanbrekende ontdekking legde de weg bloot voor vele volgende
ontdekkingen, onder andere de ontdekking van de manier waarop (het
mechanisme waarmee) DNA zichzelf kopieert (DNA-replicatie).
Voor de notatie van dubbelstrengs DNA geldt de volgende afspraak:
de bovenste streng loopt van 5’ (links) naar 3’ (rechts) en de onderste streng loopt
van 3’ (links) naar 5’ (rechts)
RNA is een enkelstrengs molecuul
RNA verschilt in verschillende opzichten van DNA. Opgemerkt is al het verschil in
suiker (voor RNA is dat ribose) en het verschil in de aanwezige basen (U in plaats van
T). RNA komt meestal voor als enkelstrengs molecuul. Het komt voor dat één deel
van een RNA-keten toevallig complementair is aan een ander deel van de keten. In
zulke gevallen kan uit één RNA-keten gedeeltelijk een dubbele streng worden
gevormd. Ook bij RNA geldt de afspraak: 5’ links en 3’ rechts.
Soorten RNA
In de cel hebben RNA-moleculen verschillende functies. De drie bekendste soorten
RNA zijn rRNA, tRNA en mRNA.
rRNA: in ribosomen (bepaalde celorganellen, waarover later meer) bevinden zich
twee soorten bouwstenen: zogenaamd ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten.
tRNA: ook bestaat er transfer-RNA (tRNA), dat als een soort taxi zorgdraagt voor de
juiste aflevering van aminozuren bij het vormen van eiwitketens (eiwitten zijn zoals
bekend aminozuurpolymeren).
mRNA: het soort RNA waar wij ons voorlopig op zullen richten is het messenger-RNA
(mRNA)
5
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
Transcriptie: RNA wordt afgeschreven van het voorbeeldmolecuul DNA
Veel (zo niet alle) chemische reacties in levende wezens worden gekatalyseerd door
enzymen. Enzymen zijn eiwitten, óf bestaan voor het grootste deel uit
eiwitmoleculen. Het geheel aan eiwitmoleculen in een cel bepaalt dus, wát de cel
allemaal wel of niet kan.
Het is dus belangrijk om de juiste eiwitmoleculen in een cel te hebben. Hoe wordt
hiervoor gezorgd?
Eiwitten (enzymen) worden in de cel gemaakt. De bouwtekeningen van deze
eiwitten bevinden zich als het ware in het DNA. De volgorde van de nucleotiden in
DNA bepalen, wélke aminozuren in wélke volgorde aan elkaar worden verbonden
(door condensatiereacties tussen de NH2-groepen en de COOH-groepen van de
naburige aminozuren).
Hoe “zorgt het DNA ervoor”, dat de juiste aminozuren aan elkaar worden
gebonden?Dit gebeurt via RNA als boodschapper (vandaar messenger-RNA of
mRNA). Van een gedeelte van één van de twee DNA-strengen in dubbelstrengs
DNA wordt een afdruk gemaakt. Deze afdruk wordt als mRNA-keten gemaakt.
Vervolgens gaat een mRNA-keten naar een ribosoom (of komt het ribosoom naar de
mRNA-keten toe). Het ribosoom is als het ware de fabriek, waarin de aminozuren van
het te vormen eiwit aan elkaar worden gekoppeld.
Het “afdrukken” van DNA in een mRNA-molecuul wordt transcriptie genoemd. Dit
gebeurt door het paren van RNA-nucleotiden aan één van de DNA-strengen.
Wanneer in deze DNA-streng zich een C bevindt, paart daar een G aan (maar dan
wél een G met ribose in plaats van deoxyribose – er wordt immers RNA gemaakt). Er
is dus – zoals ook bij DNA-replicatie – complementaire paring van de nucleotiden.
Het aan elkaar binden van de nucleotiden wordt gekatalyseerd door een speciaal
enzym.
Afspraken:
- de DNA-streng waaraan de te vormen mRNA-streng paart wordt de template
strand genoemd (strand = streng)
- de ándere DNA-streng wordt de coding strand genoemd
- het gevormde mRNA heeft ten opzichte van de template strand een
complementaire basenvolgorde
- het gevormde mRNA heeft dezelfde basenvolgorde als de coding strand,
behalve wat betreft de T’s (dat zijn in het mRNA namelijk U’s geworden)
In het algemeen noteert men de coding strand als bovenste DNA-streng (dus 5’→3’)
en de template strand als onderste DNA-streng (dus 5’→3’). De mRNA-streng wordt
daardoor ook genoteerd met 5’ links en 3’ rechts.
figuur 5: transcriptie
6
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
Het deel van een DNA-streng dat codeert voor een eiwit wordt een gen genoemd.
Translatie: tRNA paart aan mRNA
Het mRNA (de kopie van de bouwtekening) wordt in ribosomen afgelezen. Dit
gebeurt doordat aan het mRNA opnieuw complementaire basenparing plaatsvindt.
Aan de basen van mRNA paart namelijk tRNA. Aan een molecuul tRNA zit een
aminozuur vast en daardoor komen er aminozuren naast elkaar te liggen. Wanneer
deze door condensatie (amidevorming) aan elkaar worden gekoppeld, is het
maken van de eiwitketen een feit.
De paring tussen mRNA en tRNA vindt plaats tussen stukjes van drie nucleotiden. Het
stukje in het mRNA noemt men een codon en het complementaire stukje in het tRNA
noemt met het anticodon. Doordat elk tRNA een verschillend anticodon bevat, kan
er verschil worden gemaakt tussen de bij elkaar te brengen aminozuren. Elk tRNAmolecuul sleept zijn eigen aminozuur mee. Dit vertalingsproces in het ribosoom wordt
translatie genoemd.
Eiwitten in organismen (mensen, dieren, planten) bestaan uit slechts 20 verschillende
aminozuren. Wanneer een codon (en het complementaire anticodon) slechts uit
twee nucleotiden zou bestaan, zouden slechts 16 verschillende mogelijkheden
bestaan (4 keuzen voor het eerste nucleotide maal 4 keuzen voor het tweede). Het
is daarom niet verwondelijk, dat een codon en een anticodon minimaal drie
nucleotiden moeten bevatten. Daarmee zijn 4 maal 4 maal 4 (dus 43) =
64 codemogelijkheden beschikbaar. Elk codon codeert voor één aminozuur. Wél zijn
er vaak verschillende codons, die voor hetzelfde aminozuur coderen.
De vertaling van de codons (dus de mRNA-fragmenten) naar de aminozuren wordt
de genetische code genoemd. Let er goed op, dat tabellen voor de genetische
code in het algemeen zijn gebaseerd op codons, dus op mRNA !!
Om ervoor te zorgen, dat het onderscheid tussen de codons op de juiste plek wordt
afgelezen, moet het voor de cel duidelijk zijn bij welke plek op het mRNA men moet
beginnen met aflezen. Daar is een zogenaamd startcodon voor nodig. Het
startcodon (dus de mRNA-volgorde waar wordt gestart met translatie) is AUG. Er zijn
ook enkele stopcodons, die duidelijk maken waar gestopt moet worden met de
aangroei van de eiwitketen.
Mutaties
Een kleine fout in het aflezen van het DNA en het mRNA kan uiteraard grote
gevolgen hebben. Wanneer een nucleotide in het DNA veranderd (gemuteerd) is
(bijvoorbeeld door toedoen van mutagene chemicaliën of door UV- of andere
straling), dan bestaat de kans dat het nieuwe codon codeert voor hetzelfde
aminozuur en dat dus hetzelfde eiwit ontstaat. Wanneer een extra nucleotide in het
DNA of mRNA is tussengevoegd (of er juist tussenuit is gehaald), zijn vaak grotere
veranderingen in de aflezing en dus in de aminozuurvolgorde van het gevormde
eiwit het gevolg. Ook bij insertie of deletie van een nucleotide spreekt men van
mutatie van het DNA. Dit kan zeer ernstige effecten hebben, doordat bepaalde
celreacties niet meer worden gekatalyseerd. Disfunctionerende cellen en daardoor
ziekten kunnen het gevolg zijn. Een voorbeeld is de stofwisselingsziekte
hemochromatose ofwel ijzerstapeling; dit komt bij één op de 200 Nederlanders voor
(en één op de tien Nederlanders is drager!).
7
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
HOOFDSTUK 2: EIWITTEN
Aminozuren
Eiwitten zijn polymeren van α-aminozuren. Een aminozuur is een molecuul, dat zowel
een aminogroep (NH2-groep) als een carboxylgroep (COOH-groep) bevat. Omdat
de COOH-groep volgens de algemene regels voor naamgeving (zoals bepaald
door de IUPAC) een hogere prioriteit heeft dan de NH2-groep, wordt de NH2-groep
als zijgroep gezien en als voorvoegsel (amino) genoteerd. Vandaar de algemene
naamgeving aminozuur.
α-aminozuren
Een α-aminozuur is een aminozuur, waarbij de aminogroep aan de C naast de
carboxylgroep is verbonden. Men nummert de C-atomen naast de carboxylgroep
met α, β, γ, etc. Volgens afspraak zet men de COOH in een aminozuur rechts en de
NH2 in een aminozuur links.
H2N
H
O
Cα
C
OH
R
figuur 6: algemene weergave van een aminozuur
De zijgroep R bepaalt, van wélk α-aminozuur sprake is. In de natuur komen 20
verschillende aminozuren geregeld voor. Elk aminozuur heeft zijn eigen drieletterige
afkorting (bijvoorbeeld Gly voor glycine en Ala voor alanine). Soms wordt ook een
éénletterige code voor de aminozuren gebruikt (G voor glycine en A voor alanine).
Merk op dat Cα een asymmetrisch C-atoom is. In de natuur komt slechts één
stereochemische configuratie voor, namelijk de L-configuratie.
Eiwitvorming: amidebinding
De COOH-groep van het ene aminozuur kan reageren met de NH2-groep van het
andere aminozuur. Deze reactie vertoont sterke gelijkenissen met de normale
estervorming (tussen –COOH en –OH). Het resultaat is, dat een condensatiereactie
plaatsvindt (er ontstaat H2O) en dat een nieuw type karakteristieke groep ontstaat:
de amidebinding.
O
C
NH
figuur 7: de amidebinding
Merk dus op (subtiele verschillen!):
- als de NH2-groep de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een amine.
Voorbeeld: ethaanamine;
- als de NH2-groep niet de hoogste prioriteit heeft, dan spreekt met van een
aminogroep. Voorbeelden: 1-amino-2-propanol en 2-aminopropaanzuur
- een amidebinding is het resultaat van condensatie tussen –COOH en –NH2
De amidebinding wordt ook wel peptidebinding genoemd.
8
DNA, RNA en eiwitten: rules and regulations
G.H.F. Hurenkamp, 2007
Wanneer vele aminozuren aan elkaar worden gekoppeld (condensatiepolymerisatie), dan heet het resultaat een polyamide of een polypeptide. Een eiwit
is dus een polypeptide.
Een (poly)peptide heeft een zijde met een vrije NH2-groep en een zijde met een vrije
COOH-groep. Volgens afspraak noteert men peptiden met de vrije NH2-groep links
en met de vrije COOH-groep rechts.
Er is dus een verschil tussen het dipeptide glycine-alanine (afgekort Gly-Ala) en het
dipeptide alanine-glycine (Ala-Gly)!
O
O
H2N
CH
C
H2N
OH
OH
alanine (R = CH3)
H
N
CH C
H2N
OH
CH3
H
O
O
O
O
CH C
C
CH3
H
glycine (R = H)
H2N
CH
CH C
CH3
H
N
CH C
OH
H
Ala-Gly
Gly-Ala
figuur 8: Gly-Ala en Ala-Gly
Gebruikte literatuur:
L. Stryer, Biochemistry (1995)
vakgroep Biochemie/vakgroep Moleculaire Biologie, Landbouwuniversiteit
Wageningen, Dictaat Celfysiologie I (1996)
J.F.J. Engbersen en Æ. de Groot, Inleiding in de bio-organische chemie (1995)
9